历经十余年探索,中国科大自主研发的低成本软体机器人手臂,可以轻松完成生活中的开门、拧瓶盖、擦玻璃等操纵任务。

  该校计算机学院教授、机器人实验室主任陈小平团队的最新研究进展发表在最新一期的机器人顶刊《机器人研究国际杂志》上,展示了软体机器人手臂在日常生活中的巨大应用潜力,论证了这些年科研成果的可行性。

  传统机器人大多是刚性机器人,基于关节-连杆结构,自上世纪60年代起,在传统制造业大规模应用。近10年来,智能制造、家政服务、农业作业、救援、安防等市场需求增加,软体机器人研究成为机器人源头技术竞争的战略制高点。

  陈小平长期从事人工智能与机器人的交叉研究和教学。2010年,陈小平团队瞄准产业前景,尝试将柔性材料应用在机器人的骨骼和肌肉中。“近年来,我们团队坚持自己的科学原理和创新步伐,力争为中国拼下更多原始创新成果。”他感慨道。

  “以传统工业机器人为代表的刚性机器人受制于负重比低、柔顺性差等先天局限,难以充分满足人机共存环境和人机协作任务等新型应用的需求。”陈小平举例,让刚性机器人执行开门任务并不简单,需要精确的感知、建模、规划、控制。任何一环出错都不行。

  2013年,陈小平团队提出了“气动蜂巢网络”,这是一种天然的刚柔合一结构,兼具大形变性、高灵活度、高负重比和低成本等特性。类似于既柔顺灵活又很有力气的软体动物。

  在上述论文中,陈小平团队阐释了软体机器人手臂的本质柔顺性和连续变形特性,展示出一种全新的机器人与环境交互的方式。

  论文第一作者、实验室软机器人组博士研究生姜皓介绍,软手臂在和环境交互的时候,不需要提前对环境进行精确建模,即使在执行任务过程中被人为“捣乱”也不影响完成任务。“我们制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂,手臂负载自重比达1:1。”

  “蜂巢气动网络结构是蜂巢和气囊的结合,当气囊充气时,依靠蜂巢的结构形变,产生不同方向的弯曲或伸长运动。”软机器人组博士研究生王展翅说,蜂巢气动网络结构,其变形是由构成蜂巢的六边形的折叠、伸展造成的,兼具灵活性,制备简单、耐用。

  陈小平至今记得,1999年,在瑞典斯德哥尔摩举办的世界人工智能联合大会上,他的论文是中国大陆唯一的入选论文。

  他站在台上分享自己关于“人和机器人交互意图逻辑”主题的想法时,底下坐满了外国学者。通过交流,他对人工智能、机器人科研获得新理解。

  “国际一流研究团队的论文看起来只在谈理论,其实背后往往有很深的应用背景。”那段时间,陈小平反思,研究人工智能,要从重大应用需求中提炼科研目标,不然“心里没底”。

  1998年,陈小平开始组建中科大机器人团队,通过参加科研性质的机器人比赛培养锻炼队伍。2007年,团队在美国亚特兰大获得机器人世界杯总分第一。

  2008年,陈小平选择家庭服务机器人为长期研究目标,进入自主创新阶段。最初,团队在机器人移动底盘上加装了一款进口的机械手臂,但发现手臂太短,且存在安全性、灵活性不足等问题。

  团队尝试自己做一款手臂。他们研发了一款刚性机械臂,每个关节上有一套电机、减速器、控制器。但重量和成本都很高,一台机器人成本至少30万元。

  “我们决定研发一种更灵活、更安全、更轻的柔性手臂。”陈小平回忆,当时论文和书本里都找不到相关案例,只能从零开始。

  经过无数次尝试,2013年,他们终于发现气动蜂巢结构可以满足相关特性。但这种结构在现实世界中并不存在,只能自己手工制作。最初,团队造出的手臂十分简陋,只能“动一动”,没法完成更复杂的动作。

  2014年,陈小平扩大了实验室软体机器人组规模,团队成员不断改进控制算法,相继攻克手臂抖动等技术难题。

  2016年,团队研发的气动蜂巢网络软体执行器可实现三维空间内对不规则物体的操纵。2017年,陈小平在团队增设柔性手爪研究组,自主研发了刚柔合一的机器人柔性手爪,可抓握多种形状、尺寸和材质的物体,突破了刚性手爪的局限性。

  据悉,服务机器人技术在智能制造、医疗康复,家庭服务等领域有巨大研究价值和广泛应用前景。比如,让机器人为不同形状的产品进行表面打磨;对高铁、动车、地铁车厢进行无死角喷涂;或是给卧床的老人喂饭。

  在陈小平看来,团队已掌握了一类软体机器人科学原理的“秘籍”,但技术应用是一大挑战。“很多企业希望‘买来产品就能用’。但大学有自己的科研使命,更应该聚焦原始创新和关键技术研发,而不是具体产品研发。”

  “因此,科研道路上,克服了原理和技术难题,就要找到发挥技术优势的应用场景,打造实用化的科技研发,这是团队未来的一项重要任务。”陈小平说。

  这支近40人的科研团队,除了老师外,目前都是90后研究生和本科生,在人才培养上,有何成功之道?

  在陈小平团队里,老师们有一个共识:科研是长期探索的过程,老师设计好科研和课题方向,指导学生按照兴趣和科研需要组建团队,引导学生做有价值的研究。

  陈小平也一直倡导让学生大胆提出想法,并通过实践加以检验。“哪怕我觉得学生想法不通,或者我已经有了解决方法,但只要科研时间进度允许,我不会直接告诉学生答案。让学生自己找到道路,帮助学生犯错误,这样才能锻炼他们的创造力。”

  在2014年的第18届RoboCup机器人世界杯比赛中,陈小平团队自主研发的“可佳”智能服务机器人夺冠。这标志着我国服务机器人研发取得历史性突破。

  在这次比赛中,刚读研一的王宁扬负责硬件的拆卸、装配和维护等,为夺冠立下大功。

  王宁扬于2009年考入中国科大,出于对机器人的兴趣,大一就参加了学校“RoboGame机器人活动周”比赛。这也进一步激发了王宁扬的热情,他申请加入陈小平团队的实验室。

  在中国科大,机器人不仅作为一项前沿科学研究,同时也是人才培养的重要手段。陈小平所负责的机器人实验室从20世纪90年代就开始选拔人才,他们还面向本科生开设“机器人研讨班”课程。课程结束后,有兴趣的同学可以申请进入实验室学习,很多同学很快独当一面。

  这两年,在机器人实验室里,00后的身影逐渐增多。陈小平很欣慰,他觉得,当更多青年学生爱上机器人研发,一定会给机器人产业创新积蓄更多活力。

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